基于磁电雷管直流起爆的分级射孔技术

桂 华，李静岑，王明贵



基于磁电雷管直流起爆的分级射孔技术

桂 华1，李静岑2，王明贵1

（1.中石化中原石油工程有限公司地球物理测井公司，河南 濮阳，457000；2.西安物华巨能爆破器材有限责任公司，陕西 西安，710061）

针对分级射孔中使用大电阻雷管等直流雷管存在的安全隐患及缺陷，设计了基于磁电雷管的直流起爆电路，将磁电雷管应用在分级射孔作业中的点火系统。通过采用直流供电编码控制的形式起爆磁电雷管，以进一步提高系统安全性。油田现场应用表明该设计安全可靠，效果良好。

磁电雷管；分级射孔；直流；高频脉冲；编码控制

随着国家战略性开发页岩气等非常规能源的深入，电缆分级射孔技术受到各石油公司广泛的重视。电缆分级射孔的实现目前主要有压力导通式和电子选发式两类方法[1]。压力导通式由压力导通开关配合二极管，通过正负电交替点火实现分级射孔，原理简单，便于施工操作，被大家普遍使用。压力导通式分级射孔是依靠前一级射孔器起爆的爆轰波打开压力开关，实现下一级射孔器线路导通[2]。前一级雷管起爆的瞬间，压力开关即在爆轰波的作用下被打开，使后一级雷管被连接到点火回路中。而此时地面起爆设备依然在输出起爆电能，若没有其他隔离保护措施则会造成雷管连爆，导致后一级射孔器的误射孔。因此，压力导通式分级射孔中使用直流雷管加二极管，以正负电交替点火。

目前，国内使用的直流雷管有EFI雷管、EBW雷管及大电阻雷管等几种。EFI雷管、EBW雷管采用钝感药剂，大幅提升了火工品的本质安全性[3]，但在使用中需在雷管前端连接其专用点火装置一同下井，其点火装置在某个直流电压范围内即可触发，并不能完全屏蔽环境电，仍存在一定的安全隐患。而且，EFI雷管、EBW雷管价格昂贵，施工成本负担加重，不适于普及推广使用。大电阻雷管在环境电方面的安全性极差，作为安全元件的50Ω电阻只是略微提升了准爆电压的幅值，在井架带电、井口其他用电设备漏电的情况下就会有雷管早爆的可能性[1]。尤其是我国北方地区的冬季施工中，需要对井口防喷装置进行电加热，若直接使用直流雷管施工将有极大的安全隐患。

目前，磁电雷管以优异的抗环境电能力得到国内各大油田用户的认可，并在射孔作业中长期使用，因此，可根据现场要求将磁电雷管使用在分级射孔作业中。但磁电雷管使用高频脉冲起爆，且没有直接有效又简单易行的方法与下一级隔离，以防止下一级的连爆发生。基于此背景，笔者开展了基于磁电雷管直流起爆的分级射孔技术研究。

1 磁电雷管直流起爆系统的设计及功能指标

以直流供电进行起爆，配合二极管进行隔离，是防止连爆有效的方法。以此为出发点，进行磁电雷管直流起爆系统设计。设计思路为：地面使用直流供电，通过直流起爆电路转换输出高频脉冲，实现磁电雷管的起爆；通过EBFIR压力开关进行各级射孔枪的导通切换。系统整体设计如图1所示。

图1 直流起爆分级射孔系统

图1中地面系统通过单芯电缆与井下组合射孔器连接。每只射孔枪与枪间短节组成独立的射孔单元。每级射孔单元之间使用枪间短节内部的压力开关进行隔离。磁电雷管连接在直流起爆电路输出端，在直流起爆电路输入端连接相应的二极管，构成起爆控制单元，如图2所示。

图2 起爆控制单元

起爆控制单元装配在枪间短节内，受压力开关控制导通，相邻级的起爆控制单元中的二极管方向相反，目的是利用下一级中反向二极管的隔离作用避免连爆。地面使用正向、反向交替供电实现逐级起爆。

系统设计基于安全性，结合现场施工条件，首先要满足以下安全性指标：抗静电：（25±0.5）kV /（500±25）pF；抗工频漏电：交流220V及交流380V；抗直流漏电：直流1.5~500V；同时，确定功能性指标为：井下系统耐温150℃/4h；系统可适应3 000~8 000m单芯电缆及3 000~7 000m七芯电缆，即在上述电缆条件下系统均应可靠工作。

2 井下直流起爆电路设计

井下直流起爆电路连接磁电雷管构成起爆单元，井下直流起爆电路也为磁电雷管提供安全性防护和隔离，系统安全性的核心就是井下直流起爆电路的保护性设计。为了提高系统的安全性，电路中采用编码控制的设计，只有携带特定编码的直流供电才能启动起爆电路，各种环境电以及外部漏电均无法启动电路，更无法加载到雷管上，以进一步提高起爆单元的安全性。井下直流起爆电路原理如图3所示。

图3 井下直流起爆电路原理框图

当地面控制仪电路上电后，MCU微处理器电路控制检测电路对输入电压U进行实时检测，当检测到预设的起爆编码指令后打开电子开关，启动点火电路，将储能以输出特定脉宽的高频脉冲的形式输出，实现起爆磁电雷管的目的。井下电路设计要点在于电路对电缆条件的适应性，包括供电电源保障和编码识别可靠性两方面。

供电电源保障要求在不同的电缆条件下，井下电路最大限度地获得供电电能。直流供电系统中，电缆呈现纯阻抗特性[4]，系统供电等效模型如图4所示。

图4 直流供电系统等效模型[4]

地面直流供电U经电缆与井下电路形成回路，电缆电阻的分压导致地面供电的损耗，按直流电路伏安特性可知：

式（1）~（3）中：U为电路输入电压；U为地面供电电压；U为电缆损耗电压；为回路电流；R为电缆电阻；R为电路输入阻抗。

可见，若井下电路等效输入阻抗远大于电缆电阻，则井下电路输入电压可近似等于地面供电电压。因此，井下电路设计为高输入阻抗电源电路，使整体电路输入阻抗大于700kΩ，而电缆电阻取值范围设为30~300Ω，故可保证在任何电缆条件下地面供电无损加载在井下电路上。编码识别可靠性体现在编码传输和编码识别两方面。对于长线数据传输，电缆等效模型如图5所示。

图5 电缆数据传输等效模型[6]

由于电缆容抗与感抗的作用，会引起编码波形的变形，脉冲频率越高，则变形程度越严重[7]。因此，结合实际使用中无速率要求的特点，系统编解码设计中采用降低数据波特率，以保证编码传输不失真[8]；编码识别电路采用直流电压实时检测的方式，电压检测精度为0.01V，可准确读取直流载波编码。

3 地面控制电路设计

地面控制电路的功能是为井下电路提供电源的同时发送起爆编码。基于用电安全以及避免与其他井下仪器的用电冲突，选用直流36V供电；加载12V编码信号，为减小电容容抗及感抗对编码传输的影响，将编码波特率降低至10bit/s以下。地面控制电路输出电压信号如图6所示。

4 直流起爆系统性能测试

按图7连接线路，对磁电雷管直流起爆系统进行模拟测试。使用示波器分别监测并记录磁电雷管直流起爆电路输入端及输出端的电压信号，实测电压波形如图8所示。

图7 性能测试接线示意图

图8 井下电路输入端及输出端的电压波形

图8中曲线1为电路输入端电压波形，曲线2为电路输出端电压波形。从记录的电压波形曲线可明确看出：电路输入端上电后，电路无输出，直至输入端接收到完整的起爆编码后，启动点火电路，输出端产生高频脉冲输出。

为验证直流起爆系统可靠性及安全性，在进行系统功能验证的同时，对起爆单元进行高温发火试验、抗静电试验、抗工频漏电试验、抗直流漏电等理化试验，试验结果见表1。

表1 系统功能试验及起爆单元试验

Tab.1 System function test and initiating unit test

由表1所示，无论静电、工频电漏电、其他直流漏电、各种感应电以及电磁辐射，均无法启动点火电路，确保施工安全。

5 磁电雷管直流起爆电路的应用

磁电雷管直流起爆电路全部选用耐温150℃以上元器件，采用表面贴焊工艺，其体积小、重量轻，可以便捷地连接磁电雷管后装入选发短接中。

为验证直流磁电雷管起爆系统的分级射孔设计效果，先进行了油田现场直井分级射孔试验。在文-XXX井电缆射孔作业施工中，将3次射孔作业的射孔器组合为1支分级射孔组合射孔器，使用EBFIRE压力开关进行隔离，每级射孔器中使用直流磁电雷管起爆单元作为爆轰源，一次下井，分别进行3级射孔作业。首次试验成功后，按同样方式进行了10余井次的下井试验，效果良好，证实该系统及技术安全可靠，可推广应用于水平井电缆泵送施工中。

在七平XXX井分级射孔作业中设计为水平段泵送分段射孔压裂，共6段，每端均为1桥塞及4簇射孔，全部使用基于磁电雷管直流起爆电路的分级射孔技术进行施工，结果全部成功。在该地区其他水平井泵送分段射孔推广使用，进行了在近200井次施工，效果良好。

6 结语

本文针对大电流雷管等直流雷管在分级射孔作业中存在的缺陷及安全隐患，设计开发了基于磁电雷管直流起爆技术的分级射孔系统，经过多次性能测试及现场施工应用，证实该系统设计合理，性能可靠，具有较高安全性，适合于复杂现场的分级射孔施工作业。本研究为页岩气开发提供一套安全可靠的直流分级射孔起爆系统。

[1] 刘建双.页岩气水平井分级射孔技术及应用[J].江汉石油职工大学学报, 2014,27(2):28-29.

[2] 刘正彦,梁洪军,姜福成.基于液压转换装置的电缆分级射孔技术[J].测井技术,2012(01):94-96.

[3] 姚洪志,封青梅,杜斌,孙霖.电雷管的射频安全性[J].爆破器材,2008,37(2):4-6.

[4] 徐睿,韦克平.测井电缆通信模型与仿真电子[J].电子测量技术,2005(1):62.

[5] 董惠娟,李瑞敏,张广玉,张松柏.单芯测井电缆频率特性分析[J].光纤与电缆及其应用技术,2008(6):17-20.

[6] 刘红,张东来,孙光伟.电力线载波中传输线模型的建立及应用[J].电力系统及其自动化学报,2002(03):29-33,64.

[7] 杨小锋.测井电缆特性测试技术研究[D].大庆市:东北石油大学, 2014.

[8] 康甜.电力线载波技术在油井监测中的应用研究[D].长春:长春理工大学,2005.

Multistage Perforating Technology Based on Direct Current Initiating Magneto-electric Detonator

GUI Hua1, LI Jing-cen2, WANG Ming-gui1

(1.Geophysical Logging Branch of Zhongyuan Petroleum Engineering Co.Ltd., Puyang, 457000；2.Xi’an Wuhua Juneng Blasting Equipment Co.Ltd.，Xi’an, 710061)

Aim at the potential safety hazard and defect of direct current detonator, such as high resistance detonator, used in multistage perforating, a direct current initiating circuit based on magneto-electric detonator was designed, the magneto-electric detonator was used in an initiating system for multistage perforating operation. By use of direct current supply coding control, the magneto-electric detonator could be initiated, and the safety of system would be improved. The application of system in oilfield shows that the system is safe and reliable, and has good effect.

Magneto-electric detonator；Multistage perforating；Current；High-frequency impulse；Coding control

1003-1480（2018）03-0057-04

TJ45+3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.03.015

2018-04-26

桂华（1969 -），女，工程师，主要从事射孔技术和装备管理工作。